-_7-07~2

Как уже неоднократно отмечалось выше, грунты представляют собой дисперсные, мелкораздробленные породы, образовавшиеся из твердых скальных пород в ходе физического и химического выветривания. Другими словами грунт это «останки» твердых пород, разрушенных природой. Это и обуславливает ряд существенных особенностей грунтовой среды, отличающей ее от сплошных твердых тел.

Исследуем особенности свойств дисперсной среды в сопоставлении со свойствами сплошных твердых тел. В таблице 4.1 приведен краткий сравнительный анализ свойств дисперсных сред и сплошных тел:

F=0

F=F1

Деформации происходят в результате деформирования кристаллической решетки.

Деформирование дисперсной среды происходит при преодолении сил сопротивления, которые обуславливаются наличием структурных связей и сил трения между частицами грунта.

Поэтому прочностные свойства Прочностные свойства сплошного тела за- грунта зависят от прочности висят от прочности межмолекулярных

структурных связей и величины сил

связей в кристаллической решетке матери-

трения по границам контакта ча- ала. стиц друг с другом.

Грунт как дисперсная среда обладает Свойством дилатансии сплошные тела не свойством изменять объем при деобладают формациях формоизменения (явление

дилатансии и контракции)

То есть в грунтах при сдвиге может произойти изменение первоначального объема образца

Особенности свойств грунтов диктуют необходимость особого подхода при изучении их механических свойств, определении прочностных и деформационных характеристик и, конечно же, при выводе основных закономерностей.

При этом, чем полнее учитываются особенности свойств грунтов как дисперсной среды, тем точнее можно предсказать поведение грунта при внешних силовых воздействиях.

4.3Основные закономерности классической механики грунтов

42

Расчет оснований и фундаментов выполняется с использованием законов механики грунтов, которые, как правило, формулируются на основании анализа результатов экспериментальных исследований. Законы устанавливают зависимость между различными параметрами механического состояния грунта. К примеру, между напряжениями и деформациями, между касательными и нормальными напряжениями, между скоростью фильтрации воды через грунт и градиентом напора.

Первые такие зависимости были сформулированы на заре становления механики грунтов в 18, 19 веках. По мере развития этой области науки законы совершенствовались, полнее учитывались особенности грунтов как дисперсных сред и соответственно точнее становились расчеты.

Тем не менее, основные положения, сформулированные основателями механики грунтов, остались справедливыми и в наше время и фактически лежат в основе так называемой классической механики грунтов.

Основные законы и закономерности классической механики грунтов, свойства которые они описывают, показатели, характеризующие механические свойства сведены в таблице 4.2.

4.4Сжимаемость грунтов

Деформирование грунтов оснований в общем случае сопровождается сложными изменениями объема и формы грунтовой среды в результате упругих деформаций зерен грунта и смещение их относительно друг друга. Упругие деформации минеральных частиц очень малы и существенного влияния на процесс деформирования грунта не оказывают.

Деформирование грунтов происходят в первую очередь за счет смещения (перекатывания) частиц относительно друг друга.

43

Сжимаемость грунтов – свойство грунтов изменять свой первоначальный объём за счёт перекомпоновки частиц и уменьшения пористости.

Условия испытания грунта в компрессионном приборе

Исследование сжимаемости грунта производится в компрессионных приборах, называемых одометрами. Схема одометра приведена на рис.4.1

а)

б)

Рис.4.1. Компрессионный прибор: а) общий вид; б) принципиальная схема прибора

Испытание грунта в компрессионном приборе характеризуется следующими условиями:

Кольцо, в которое помещается образец, имеет достаточную жесткость и поэтому грунт деформируется при невозможности боковых перемещений.

44

пренебречьр мещений.

Избыточная вода в грунте свободно выдавливаетсяМ лическиз поре и

учитывается).

Фильтрационная

Изменение пористости грунта при компрессионном уплотненииб мага

Нижний

Рассмотрим, как изменяется пористость грунта при его уплотнении в

штамп

компрессионном приборе. Обозначим первоначальную высоту образца через h. При сжатии образца нагрузкой величиной Ni поверхность образца смещается на величину Si, рис.4.2.

S

h

Рис.4.2. Схема деформирование образца грунта в компрессионном приборе

Уменьшение объема образца происходит за счет уменьшения объема

пор.

где pi NAi -вертикальные сжимающие напряжения в образце грунта;

А- площадь поперечного сечения образца.

Тоже через коэффициент пористости:

ei e0 ei e0 ni , m

где ei коэффициент пористости;

e0 начальный коэффициент пористости грунта;ei изменение коэффициента пористости;

m` - объем твердых частиц в единице объема.

Формула (4.3) позволяет оценить изменение пористости грунта по мере его уплотнения.

Компрессионная кривая

В результате испытаний грунта в одометре при постепенном увеличении Ni можем построить компрессионную кривую.

Компрессионная кривая – график изменения коэффициента пористости грунта с изменением уплотняющего давления.

Примерный вид компрессионной кривой приведен на рис.4.3.

Рис.4.3. Общий вид компрессионной кривой

Анализ характера изменения коэффициента пористости грунта при изменении уплотняющего давления позволяет сделать два важных вывода:

С увеличением уплотняющего давления (рi) коэффициент пористости (ei) уменьшается. При этом зависимость ei-pi имеет криволинейное очертание.

Остаточные деформации уплотнения значительно больше

упругих.

Кроме того, многие грунты обладаю так называемой структурной прочностью. В этом случае общий вид компрессионной кривой будет иметь вид, рис.4.4.

46

Рис.4.4. Компрессионная кривая с учетом структурной прочности грунта

Структурная прочность обуславливается наличием жестких кристаллических связей между частицами грунта. Уплотнение грунта в этом случае происходит лишь после разрушения этих связей.

Компрессионная кривая может быть так же построена в логарифмических координатах, рис.4.5.

Рис.4.5. Компрессионная кривая в логарифмических координатах

В этом случае она представляет собой практически прямую линию и уравнение данной кривой можно записать в виде:

где ak - коэффициент компрессии.

Однако применение в расчетах логарифмической зависимости процесса уплотнения грунта от нагрузки приводит к значительному усложнению расчетных моделей и по этому данное представление компрессионной кривой не нашло широкого практического применения.

47

Уравнение (4.9) можно представить через относительные деформации образца грунта εi.

Обобщая вышесказанное можно сформулировать закон уплотнений:

Закон уплотнения - в ограниченных диапазонах нагрузок изменение коэффициента пористости есть функция первой степени уплотняющего давления

4.5Компрессионная зависимость при объёмном сжатии

Вобщем случае уплотнение грунтов происходит под действием не только нормального давления z P , но и под действием других компонен-

тов тензора напряжений, рис.4.7.

Рис.4.7. Общий случай напряженного состояния элементарного объема грунта

Так как образец грунта в компрессионном приборе находится в условиях невозможности боковых деформаций, будет справедливо следующее соотношение:

Согласно обобщённому закону Гука:

С учетом соотношения (4.12) получим:

49